Zbiorniki magazynowania energii cieplnej dla centrów danych: Porównanie wody, lodu i materiałów PCM
Utworzono Dzisiaj
Zbiorniki magazynowania energii cieplnej dla centrów danych: porównanie wody, lodu i PCM
Chłodzona woda jest trasą o najniższym ryzyku dla większości lokalizacji. Zbiorniki magazynowania energii cieplnej dla centrów danych przechowujące wodę magazynują około 1,16 kWh na metr sześcienny na kelwin, czyli około 7 kWh/m3 przy delcie 6 K przed stratami. Lód daje kilkukrotnie większą gęstość przy tej samej objętości, ale dodaje pozyskiwanie, rozmrażanie i pośrednią pętlę. PCM plasuje się między tymi dwoma i zwykle kosztuje więcej za użyteczną kilowatogodzinę. Zbiorniki wodne znajdują się blisko ciśnienia atmosferycznego, z dojrzałą izolacją, kontrolą stratyfikacji i praktyką wytwarzania. Zbiorniki magazynowania energii cieplnej dla centrów danych są specyfikowane w trzech mediach - chłodzona woda, lód i materiał zmiennofazowy - i każde medium zmienia powłokę, nie tylko liczbę zbiorników.
Gęstość mocy w szafach stale rośnie, a wraz z nią udział energii zużywanej w obiekcie na odprowadzanie ciepła z obciążenia IT. Agregaty chłodnicze dobiera się na najgorszą godzinę, a nie na średnią, i ta godzina ustala zarówno koszt sprzętu, jak i opłatę za moc szczytową. Magazynowanie energii cieplnej przesuwa chłodzenie do tanich godzin: instalacja pracuje intensywnie poza szczytem, napełnia zbiornik i przetrwa popołudniowy szczyt dzięki zmagazynowanemu chłodowi.
Trzy nośniki utrzymują ten chłód. Woda schłodzona w warstwowym izolowanym zbiorniku jest rozwiązaniem referencyjnym. Lód, tworzony na wężownicach lub pozyskiwany przez maszynę wewnątrz zbiornika wody, zwiększa energię na metr sześcienny. Kapsułkowane materiały zmiennofazowe dążą do tego samego celu poprzez przejście ze stanu stałego w ciekły. Wszystkie trzy zmniejszają szczytową wydajność agregatu chłodniczego; żaden z nich nie zmniejsza całkowitego zużycia kilowatogodzin w obiekcie, a każdy zmienia układ, sterowanie i plan konserwacji.
To porównanie analizuje dane liczbowe, które rozstrzygają o zakupie zbiorników magazynowania energii cieplnej dla centrów danych: pojemność na metr sześcienny, koszt na użyteczną kilowatogodzinę, jaka część zmagazynowanego chłodu może zostać odebrana oraz jak każde rozwiązanie zachowuje się w warunkach równoczesnej konserwowalności.
Co faktycznie magazynują trzy rozwiązania
Gęstość magazynowania określa rozmiar zbiornika. W przypadku zbiornika cieczy pojemność wynika ze wzoru `Q = V x rho x cp x dT`. Woda o gęstości około 1000 kg/m3 i cieple właściwym 4,186 kJ/kg.K magazynuje 4,186 MJ na metr sześcienny na kelwin, czyli około 1,163 kWh/m3.K. Przy typowym zakresie 6 K od 6°C do 12°C daje to około 7 kWh/m3.
Lód wymienia zmianę masy na ciepło utajone. Zamarzanie przy 334 kJ/kg magazynuje znacznie więcej na jednostkę masy niż chłodzenie odczuwalne, więc zbiornik z owiniętą wężownicą lub zbiornik typu harvest o tej samej powierzchni zabudowy mieści kilkukrotnie więcej chłodu niż zbiornik wodny. Zwarcie termiczne przez warstwę lodu po cichu zjada tę przewagę między cyklami.
PCM plasuje się między tymi dwoma rozwiązaniami, za wymiennikiem ciepła. Kapsułkowane sole lub parafiny zmieniają fazę w stałej temperaturze i są zwykle utrzymywane za pośrednim obiegiem, który po uwzględnieniu płaszcza i powierzchni wymiany zatrzymuje ułamek ciepła utajonego na metr sześcienny.
Te trzy gęstości określają rozmiar zbiornika do magazynowania energii cieplnej dla centrów danych. Woda potrzebuje najwięcej metrów sześciennych przy tym samym obciążeniu, lód najmniej, a PCM pośrednio.
1. Woda: najniższy koszt na kWh, największy zbiornik, bezpośrednie podłączenie do agregatu chłodniczego w wielu projektach.
2. Lód: kompaktowy, pośredni i wyższa temperatura podejścia na wężownicy.
3. PCM: od kompaktowego do średniego, z elementami kapsułkowania i separacji faz, na które należy uważać.
Koszt inwestycyjny, zajmowana powierzchnia i układ zakładu
Objętość zbiornika to widoczny koszt; infrastruktura towarzysząca jest tym cichym. Zbiornik wodny wymaga izolowanej powłoki, króćców wlotowego i wylotowego, dyfuzora, pompy i sterowania. Lód i PCM dodają pakiet wymiennika ciepła, wtórną pętlę płynu, a w przypadku lodu sekwencję odszraniania, która pobiera ze zbiornika podczas pracy.
Zajmowana powierzchnia wybiera trasę na ciasnych kampusach. Tam, gdzie istnieje zapasowy park zbiorników, magazynowanie wody wygrywa pod względem kosztu na zmagazynowaną kilowatogodzinę w każdej kategorii operacyjnej. Gdzie powierzchnia płyty jest stała, ale istnieje wysokość maszynowni, lód lub PCM są uzasadnione nawet przy wyższym koszcie na kWh, ponieważ alternatywą jest drugi budynek chłodni.
Zmiana warunków ciśnieniowych zmienia zakres konstrukcyjny. Zbiornik wody o ciśnieniu zbliżonym do atmosferycznego znajduje się poza granicą ciśnieniową, więc dysze i otwory są projektowane wyłącznie na obciążenie hydrauliczne. Ciśnieniowe wytwornice lodu pracują przy dodatnim ciśnieniu manometrycznym i wraz z nimi pojawia się zbiornik, jego wzmocnienie i reżim inspekcyjny.
· Woda lodowa: najniższy koszt kapitałowy na użyteczną kilowatogodzinę, największa powierzchnia zabudowy, w wielu konstrukcjach brak obiegu pośredniego.
· Lód: dwa do czterech razy większy koszt kapitałowy niż zbiornik wody, kompaktowa powierzchnia zabudowy, zawsze obieg pośredni.
· PCM: średni do wysokiego koszt kapitałowy, kompaktowa do średniej powierzchnia zabudowy, zawsze obieg pośredni.
Użyteczna wydajność, straty i pobór
Wydajność ładowania i rozładowania różnią się. Zbiornik wodny traci niewielką część zawartości dziennie przez izolację i mieszanie, a projektanci przyjmują 70-90 procent wartości teoretycznej jako pojemność użytkową po uwzględnieniu strat związanych ze stratyfikacją, zwarciem termicznym i mieszaniem.
Lód traci na skutek zwarcia termicznego. Ciepło przenikające przez płaszcz zbiornika topi lód, który nigdy nie został naładowany do użytku, więc instalacja musi być przeładowana. Jakość izolacji i geometria zbiornika określają tempo tego zjawiska.
PCM traci po stronie wymiany ciepła. Niska przewodność w warstwie przemiany fazowej ogranicza moc ładowania i rozładowania przez powierzchnię, a nie przez objętość, więc wymiarowanie na szczytową moc zwiększa zbiornik i niweluje zysk z gęstości.
Trasa | Gęstość teoretyczna | Udział użytkowy | Główny mechanizm strat |
Woda lodowa | ~1,16 kWh/m3.K | 70-90 procent | Zanik stratyfikacji, wyciek do otoczenia |
Lód | Kilka razy więcej niż woda | 60-85 procent naładowania | Zwarcie termiczne, wycofanie odszraniania |
PCM | Średni zakres | 60-80 procent ciepła utajonego | Transfer ograniczony przewodzeniem, separacja |
Eksploatacja, konserwacja i zachowanie w przypadku awarii
Systemy wodne zawodzą powoli i widocznie. Stratyfikacja ulega erozji, dyfuzory zanieczyszczają się, a powrót o zbyt wysokiej temperaturze mieszają zbiornik. Chemia jest taka, jaką zakład już stosuje: biocyt, inhibitor, kontrola osadów i okresowe czyszczenie.
Zakłady produkujące lód mają listę mechanicznych problemów. Osadzanie się kamienia na wężownicach, tworzenie się mostków lodowych, zacinanie się zaworów odszraniania i wycieki z obiegu powtarzają się, a wszystko to wewnątrz izolowanego zbiornika, co utrudnia dostęp.
PCM dodaje elementy stabilności materiału. Uszkodzenie kapsułki, segregacja w hydratach soli i zanieczyszczenie wymiennika wymagają punktu monitorowania na żywo od pierwszego dnia. W praktyce należy rejestrować temperaturę wlotu i wylotu, poziom i prędkość dyfuzora dla zbiornika wody, częstotliwość odszraniania i udział lodu dla wytwornicy lodu oraz moc ładowania i rozładowania z dryfem pasma fazowego dla modułu PCM.
Specyfikacja techniczna
Element | TES wody lodowej | TES lodowy | TES PCM |
Medium magazynujące | Woda, 5-7 do 12-14 st.C | Lód w wodzie, wężownica lub zbiornik | Kapsułkowana sól lub parafina |
Wzór na pojemność | Q = V x rho x cp x dT | m x 334 kJ/kg, mniej strat | m x ciepło utajone, mniej kary HX |
Użyteczne pasmo | 5-7 K delta | Temperatura topnienia blisko 0 st.C | Stała temperatura przemiany fazowej |
Warunek ciśnienia | Blisko atmosferycznego | Niskie nadciśnienie | Od atmosferycznego do niskiego podciśnienia |
Izolacja | Wełna mineralna, okładzina aluminiowa | Cięższa ściana, uszczelnienie parowe | Wełna mineralna, uszczelnienie parowe |
Wymiennik ciepła | Nie zawsze wymagane | Zawsze | Zawsze |
Szczytowa moc rozładowania | Dysza, pompa i dyfuzor | Powierzchnia wężownicy | Ścieżka i powierzchnia przewodzenia |
Zakres płaszcza | Zbiorniki magazynowania energii cieplnej dla centrów danych wykorzystują ten sam zakres płaszcza, powłoki i izolacji co każde duże atmosferyczne naczynie wodne | ||
Referencje projektowe | Praktyka AWWA D103, wytyczne ASHRAE DC9 | Praktyka zbiorników, specyfikacja maszyn | Praktyka zbiorników, specyfikacja materiałów |
Przypadek projektu
Pole | Wartość |
Projekt | Magazynowanie wody pitnej w Namibii (P-A) |
Produkt | 01 Zbiornik szklano-stalowy |
Pojemność | 44 900 m3 łącznie |
Wymiary | 4 zbiorniki, średnica 41,26 m, wysokość 8,4 m |
Zakończenie | Wrzesień 2022 |
Chociaż nasze zrealizowane projekty referencyjne w sektorze wodno-ściekowym obejmują ten zakres wody pitnej, zakres TES dla centrów danych jest projektowany według tych samych standardów. Cztery zbiorniki skręcane o średnicy 41,26 m demonstrują liczbę paneli, średnicę płaszcza i sekwencję montażu na miejscu, jakiej wymaga duży atmosferyczny zbiornik wodny. Zbiorniki magazynowania energii cieplnej dla centrów danych dziedziczą ten sam zakres płaszcza, gdy medium jest woda, a zbiornik pozostaje blisko ciśnienia atmosferycznego.
Zdolności inżynieryjne Center Enamel
Center Enamel (Shijiazhuang Zhengzhong Technology Co., Ltd) projektuje i wytwarza zbiorniki magazynowe skręcane od 2008 roku. Jako pierwszy w Chinach producent zbiorników ze szkła stapianego ze stalą (GFS), firma posiada blisko 200 patentów związanych z emalią, produkuje około 300 000 stalowych płyt pokrytych emalią rocznie, zrealizowała ponad 30 000 zainstalowanych projektów i dostarcza swoje zbiorniki do ponad 100 krajów. Nowa baza produkcyjna o powierzchni 150 000 m² została dodana w celu zwiększenia zdolności produkcyjnych, a pojedyncze zbiorniki są dostarczane o pojemności do 60 000 m³. Produkcja odbywa się zgodnie z ISO 9001 i ISO 45001, z certyfikacją produktów obejmującą NSF/ANSI 61, WRAS, FDA, LFGB, CE (EN 1090), ISO 28765, FM, BSCI i EUROCODE, a projektowanie opiera się na AWWA D103-09, AWWA C550 i NFPA, gdy wymaga tego zastosowanie.
Wymagania dotyczące medium vs. płaszcza
· Woda, lód i PCM nakładają różne wymagania dotyczące płaszcza: woda potrzebuje objętości i izolacji, lód potrzebuje wewnętrznej wężownicy lub kolektora, PCM potrzebuje wiązki kapsuł, którą zbiornik musi pomieścić geometrycznie.
· Najmniej ryzykownym pierwszym krokiem jest atmosferyczny płaszcz wypełniony wodą, zwymiarowany na podstawie krzywej obciążenia chłodniczego, ponieważ pozostawia projekt hydrauliczny i sterowania niezmieniony względem instalacji bazowej.
· Nasze dostawy zbiorników na wodę, prowadzone przez namibijski projekt o pojemności 44 900 m³, są bezpośrednim precedensem dla magazynu opartego na wodzie.
Często zadawane pytania
P1: Czy magazynowanie lodu zawsze wygrywa kosztowo z wodą chłodzącą?
O1: Nie. Lód magazynuje więcej chłodu na metr sześcienny, więc zbiornik jest mniejszy, ale pakiet maszynowy, sekwencja odszraniania i obieg pośredni podnoszą koszt instalacji na użyteczną kilowatogodzinę. Przy dostępnym terenie woda daje krótszy okres zwrotu.
P2: Jaką objętość zbiornika potrzebuję do ośmiu godzin redukcji szczytowego zapotrzebowania?
O2: Najpierw określ zmagazynowane kilowatogodziny: obciążenie w kW razy godziny przesunięcia, podzielone przez współczynnik użyteczny, a następnie podzielone przez gęstość wybranego medium. Przy 6 K woda oferuje około 7 kWh/m3 przed zastosowaniem współczynnika 70-90 procent.
P3: Czy zbiornik TES na wodę pomaga podczas przerwy w zasilaniu?
A3: To pomaga. Zimny zapas pokrywa zapotrzebowanie rośliny, podczas gdy generatory i jednostki UPS startują, a zbiornik atmosferyczny dostarcza przepływ bez zasilania ciśnieniowego. Projektanci przypisują mu określony autonomiczny czas pracy, a nie nieograniczony czas pracy.
P4: Czy zbiornik lodowy lub PCM może zostać podłączony do istniejącej instalacji wody chłodzonej?
O4: Tak, jako niezależna wyspa z własnym wymiennikiem i pętlą. Interfejs stanowi para przyłączy i sygnał sterujący, więc istniejące agregaty chłodnicze zachowują swój interfejs instalacji za nowym magazynem.
P5: Które medium najlepiej radzi sobie ze słabą jakością wody?
O5: Fabrycznie naniesiona emalia lub wnętrze z epoksydu łączonego dyfuzyjnie utrzymują płaszcz z dala od kontaktu z magazynowaną wodą, więc chemia wpływa na stronę wodną, a nie na stal. Oba rozwiązania można naprawiać na miejscu w przypadku zbiornika otwieranego do przeglądu co kilka lat.
P6: Jakie są straty postojowe w izolowanym zbiorniku?
O6: Dobrze izolowany zbiornik atmosferyczny traci niewielki ułamek ładunku dziennie, uzupełniany w następnym cyklu. Grubość izolacji, uszczelnienie parowe i szczegóły podparcia mają większe znaczenie niż materiał płaszcza.
P7: Czy warto najpierw przeprowadzić pilotaż PCM?
A7: Większość operatorów testuje jeden zbiornik na niekrytycznej hali, aby rejestrować moc ładowania i rozładowania, dryf pasma fazowego i zanieczyszczenia, co odpowiada na pytanie, czy temperatura przemiany fazowej odpowiada wodzie powrotnej.
Trzy rozwiązania magazynują chłód w różny sposób i tylko jedno jest tanie w przeliczeniu na kilowatogodzinę. Woda ma najniższy koszt inwestycyjny, najprostszy interfejs hydrauliczny i najdłuższą historię eksploatacji, za którą płaci się objętością. Lód kupuje zwartość wyższą ceną i ruchomymi częściami. PCM oferuje regulowalne pasmo temperatur i płaci za to powierzchnią wymiany oraz zarządzaniem materiałem. Tam, gdzie dostępny jest teren, a okno czasowe jest długie, zbiornik wody jest odpowiedzią wzorcową, a pozostałe dwa rozwiązania uzasadnia zajmowana powierzchnia, a nie termodynamika.
Porozmawiaj z inżynierem
Podaj obciążenie hali w kW, okno magazynowania w godzinach, temperatury zasilania i powrotu agregatu chłodniczego oraz dostępny układ instalacji pod zbiornik. Zwrócimy obliczenie doboru w metrach sześciennych, użyteczne kilowatogodziny po uwzględnieniu współczynnika stratyfikacji i strat oraz specyfikację dysz, dyfuzorów i izolacji. W celu porównania mediów poproś o takie samo obliczenie dla lodu i materiału PCM, aby wybór opierał się na użytecznej pojemności, a nie na gęstości z tabliczki znamionowej.
WhatsApp